想象激发创新，好莱坞影星海蒂·拉玛的发明之路

海蒂·拉玛是20世纪40年代的著名好莱坞影星，曾被誉为世界上最美丽的女人。

除了电影明星，美国《时代》杂志还将她誉为“WiFi之母”。全球电信通信业著名专家戴夫·莫克也曾这样评价海蒂·拉玛：“只要你使用过移动电话，你就有必要了解并感谢她。”

本文从创造性思维视角梳理了海蒂·拉玛技术创新的4个步骤，表明科学想象对于海蒂·拉玛的创新发明起到基础性、关键性的作用；探究了科学想象作为创造性思维的一种非逻辑的表现形式，认为其不仅可为技术创新的“瓶颈”难题提供新思路，还可为技术创新的“解题”活动提供新方案。

海蒂·拉玛没有接受过严谨的科研训练，但是她熟知许多无线电通信的科学知识，并将其运用到特定的鱼雷抗干扰难题，通过科学想象借鉴自动演奏钢琴原理发明了跳频技术，实现了“单一频率”到“跳跃频率”的转换。

作为科学共同体之外的特殊发明家，海蒂·拉玛如何实现高科技的技术创新是引人深思的重要问题。

科学想象：

海蒂·拉玛发明跳频技术的关键

科学想象是科学技术创造领域的想象，是根据现有的科学知识和事实，发挥高度的抽象和联想能力，超越现实条件，猜测未知的客观规律，设想未知的变化过程。

科学想象本质上属于创造性思维的一种认知形式，创造性思维产生有3个条件：发现合适问题并以解决该问题为目标；意识与无意识心理能力的交替过程中产生新观念；通过逻辑与非逻辑的思维形式完成创造过程。

海蒂·拉玛发明跳频技术的过程可以分为以下4个步骤：

接触扩频（发现问题）

海蒂·拉玛在与第一任丈夫弗里茨·曼德尔的婚姻生活中掌握了大量的无线电、扩频通讯、鱼雷等科学和技术知识。

1933年希特勒上台后，曼德尔开始同纳粹做军火生意。与纳粹的频繁交往使海蒂·拉玛接触了德国的军事技术，尤其是扩频通讯技术。

德国海军在1935年开始了鱼雷的控制工作。由于无线电信号在海水中的传播距离有限，针对潜艇鱼雷的无线电控制非常困难，大多数德国专家都喜欢用导线制导。当鱼雷离开潜艇时，后面放出的绝缘导线将潜艇电连接到引导其前进的控制器上。

当时研发的用于飞机发射的反舰滑翔炸弹正是由无线电控制。此外，德国海军使用的频率选择系统可能为海蒂·拉玛提供了如何防止无线电控制信号被干扰的想法。

当曼德尔与德国武器专家讨论无线电信号遥控鱼雷和无线通讯干扰的相关技术时，海蒂·拉玛被允许旁听甚至记录，这些高级机密为她日后的发明提供了契机和知识基础。

灵感来源（新观念）

1940年，海蒂·拉玛开始研发无线电控制的鱼雷干扰问题。

她最初的想法为：如果无线电发射机和接收机同步，同时改变它们的调谐，从一个频率到另一个频率随机地跳在一起，那么在它们之间传递的无线电信号就不会被干扰，她称此想法为“频率跳跃”。

海蒂·拉玛首先通过菲尔科落地式收音机联想到了用遥控器控制鱼雷，像换台一样远程改变鱼雷的方向。但如果不调整遥控器发出的信号，就会发生类似于车库门的遥控器向邻居家发出信号的情况。

1940年某天下午，海蒂·拉玛跟着安泰尔敲击钢琴琴键时，有了新的想法：既然改变钢琴按键就能改变音乐，那么改变无线电信号频率同样能改变信号。

自动钢琴演奏原理（展开图）

安泰尔曾经用电子技术控制几台钢琴的同步演奏：演奏器用打孔纸卷控制，纸卷绕过一个打满小孔的金属管，管上每一个小孔对应一个演奏器的机械手指，用脚踏风箱鼓风，气流通过缓缓转动的纸卷上的小孔，驱动连动的机械手指敲击琴键奏出音乐。

钢琴卷轴

随后，海蒂·拉玛和安泰尔将她的原创性想法转为实际的设计。

原理设计（完成创造）

海蒂·拉玛与安泰尔将设计蓝图寄给美国国家发明家委员会后，委员会立刻表示对这个项目很感兴趣，并要求进一步的说明。

发明由“两个姊妹系统”组成：用于发送船舶和接收鱼雷的同步可变无线电波长装置；用于加倍确保鱼雷抗干扰的最小广播时长装置。

在船和鱼雷之间传递的信号不仅非常短暂，而且会从一个频率跳到另一个频率，跳跃由“飘带”控制。

“飘带”是类似于钢琴滚动纸卷的一种控制装置，在发射机和接收机中使用与播放钢琴类似的纸卷，在纸上切出槽来编码频率的变化。当插槽滚过控制头时，将启动一种真空装置，造成推杆关闭等一系列开关。这些开关排列在推杆下方，关闭一个特定的开关，就可以将几个不同调谐的电容器连接到振荡器上。

无线电频谱上充满了任意的跳频信号，敌人无法跟踪并干扰信号传输过程。为了使干扰更加困难，安泰尔和海蒂·拉玛提议在发射机上使用7个调谐电容器，而在接收机上只使用4个，因此有3个发射通道会发出一个假信号，其中一个没有操作功能。

为解决假信号问题，他们在发射站提供了一个指示灯，当发射单元处于频率间的转换时指示灯就会闪烁，当3个错误通道被占用时指示灯则一直亮着。

另一个重要的附加组件是基于广播电台控制器遥控原理的新型鱼雷转向装置，可以处理鱼雷接收到的信号并将其转换成指令，引导武器朝向目标。

1941年6月10日，海蒂·拉玛和安泰尔向美国专利局申请专利，并于1942年8月11日获美国专利局颁发的名称为“秘密通信系统”专利。

海蒂·拉玛还结合设计图详细介绍了如何使用钢琴装置以便远程控制鱼雷等设备的相关信息，并附上了详细的构造图。

秘密通信系统技术专利设计图

其中最重要的技术创新是运用钢琴唱片装置中的滚动纸卷，使88个不同的载波频率在发射站和接收站之间完成跳频。

原理应用

珍珠港事件爆发后，美国正式参加第二次世界大战，大规模扩建海军，但当海蒂·拉玛把专利递交给美国国家发明家委员会时，却遭到了拒绝。

美国国家发明家委员会一方面表示不能理解她发明的构思，不敢轻易做出判断；另一方面由于海蒂·拉玛曾是纳粹军火供应商的妻子，对她的身份表示怀疑，更不敢相信电影明星发明的技术能解决鱼雷的抗干扰问题。

1942年，美国政府以海蒂·拉玛不是美国公民为由将她的专利以“外籍财产”名义没收。从此，跳频技术专利尘封在美国专利局。

20世纪50年代，美国军方秘密启用名叫“秘密通讯系统”的专利，将海蒂·拉玛的专利副本作为合同项目的基础材料传给了洛杉矶霍夫曼实验室，要求实验室基于该技术制造一种防堵塞声纳浮标以及伴随飞机的跳频无线电系统。

今天，从无线电话到蓝牙技术再到全球定位系统都在使用这种基于海蒂·拉玛跳频构思的通信技术。

科学想象对技术创新的作用

1942年，海蒂·拉玛以前瞻性的眼光，首次将全新的跳频技术应用于解决鱼雷的抗干扰问题，在当时无线信号频率的基础上扩展了多个无线电频率，解决了单独无线信号频道的技术瓶颈，并说明了具体的设计方案，成功申请了美国专利。

但是由于一系列特殊原因，该专利技术被搁置。

20世纪50年代，当跳频技术的专利被重新激活时，跳频技术成为了通讯领域的共性技术，是CDMA、WLAN、Bluetooth等无线通讯方式的基础。

为技术创新“瓶颈”难题提供新思路

海蒂·拉玛起初对于如何解决鱼雷的抗干扰问题并没有合适的方案，但是当她听到跳跃的钢琴声时，突然想象将自动演奏钢琴的原理应用到鱼雷中的可能图景，并即刻模拟想象中的方案。

迈克尔·斯图亚特曾在两个生物学实验室对科学想象进行定性研究，主要包括调查科学想象不同的使用方式，以及如何使用科学想象力，发现资历越高的科学家赋予科学想象越重要的角色，并认为想象力甚至是其工作基本组成部分。参与者对科学想象的积极态度主要是由于想象力在解决问题中的作用，尤其在所有其他可用方法都失败时，科学想象就会发挥其独特的作用。

由此可以看出，科学想象在科研活动的解题中有重要作用。

科学想象有利于科研工作者进行创造性的思考，提出全新的想法。并且当其他方法已经失败，或需要太多努力，或由于其他原因不可行时，科学想象可以发挥出关键的作用。

想象力可以创造或抽象出不存在的形象，而这种抽象的力量能够加深科学法则的理解，把以前分散的研究流结合在一起，创造出新的东西。

为技术创新“解题”活动提供新方案

爱因斯坦认为：“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识化的源泉。”

科学想象常常是创新的先导，且贯穿于科学研究的整个过程，能够打破“金科玉律”的框架和束缚，实现技术跨学科、跨领域的沟通联系，为科技创新的“解题”活动提供更多的可能方案。跳频技术的发明就是将科技与艺术紧密结合的典例。

科技创新是通过解题实现的，解题就是寻找答案。在不知答案的情况下，科研人员力求大胆地想到各种可能，并尽量想到更多的可能。

包括海蒂·拉玛在内的众多科技史案例表明，唯有科学想象能囊括各种创新的可能性。

爱因斯坦关于人以光速跟随光线跑、牛顿关于月亮是大苹果、狄拉克关于真空空穴、霍金关于黑洞蒸发等想象都是科学想象的典范。

结论

随着科技的发展愈来愈精深化、专业化，科学共同体以外的非科研人员几乎难以进行高精尖技术的创新与发明。

值得注意的是，海蒂·拉玛未获得过大学学位，不曾接受过严格、系统的科研训练，她的技术发明一部分源于所接触的无线电及扩频知识，一部分依赖于日常生活中所积累的经验常识。

从伽利略开始，科学史实告诉我们，仪器和实验所揭示出来的现象表明常识并不具有终极的说服力。常识式的理性不够用了，人们学会求助于数理式的理性。

20世纪，科学发现和技术发明与常识经验更为疏远，科学理论的解释力也无须依赖常识和直观的理解，高新技术的发明愈来愈精深化。

在海蒂·拉玛的技术发明过程中，科学想象尤其是联想或类推联想起到至关重要的作用。海蒂·拉玛的技术创新是科技与艺术相结合的典范，她以“局外人”的视角提出许多科学家所未能提供的想法。

作为一位跨界女性技术科学人才，她身上独具的创造性思维和智慧同样是新时代培养科技人才的重要目标和发展方向。

作者简介：杨可鑫，中国科学院大学人文学院，硕士研究生，研究方向为科学技术与社会；李斌（通信作者），中国科学院大学人文学院，副教授，研究方向为英国科学技术史、科学技术与社会。

论文全文发表于《科技导报》2021年第14期，原标题为《从海蒂·拉玛发明跳频技术看科学想象在技术创新中的作用》，本文有删减，欢迎订阅查看。

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